2019-2020学年高中物理下学期第五周 惠更斯原理 波的反射和折射教学设计.doc

2019-2020学年高中物理下学期第五周 惠更斯原理 波的反射和折射教学设计课题 第4节 惠更斯原理 波的反射和折射课时考点、知识点1、知道波传播到两种介质交界面时会发生反射和折射。2、知道波发生反射时，反射角等于入射角，反射波的频率、波速和波长都与入射波相同。3、知道波发生折射是由于波在不同的介质中速度不同，知道折射角与入射角的关系。学习目标1、理解惠更斯原理2、知道波发生反射时，反射角等于入射角，反射波的频率，波速、波长都与入射波相同3、知道波发生折射是由于波在不同介质中速度不同4、知道折射角与入射角的关系重、难点1、观察和理解波的反射和折射现象。2、理解波的反射定律和折射定律，知道波的反射和折射现象中反射角、折射角与入射角的关系。3、理解波发生反射时的频率、波速和波长都不改变，而波发生折射时，频率不变，但波速和波长会发生变化。学习环节和内容学生活动建议教师活动建议调整记录新课导入教师：各种波在传播过程中，遇到较大的障碍物时，都会发生反射现象声波在遇到较大的障碍物后也会反射回来反射回来的声波传入人耳，听到的就是回声，我们在山中、在大的空房间里大声说话时，都会听到回声。学生：回顾生活中的体验。教师：演示实验水波的反射现象，并指导学生观察认识（采用发波水槽和实物投影仪）。学生：观察实验，认识现象。教师：提出问题：波为什么会有这样的现象呢？其有何规律呢？要了解这些问题，我们必须先学习惠更斯原理。新课展示一、惠更斯原理1、相关概念：波面、波前和波线：教师：引导学生思考问题：如何表示波传播的方向？然后指导学生阅读教材有关内容，理解：(1)什么是波面？什么是波线？(2)对于水波和空间一点发出的球面波和平面波为例，如何理解波面和波线？学生：阅读教材，思考理解(1)在波的传播过程中，任一时刻介质中任何振动状态相同的点联结成的面叫做波面，又叫波前。(2)图中与各个波面垂直的线叫波线，用来表示波的传播方向。2、相关概念：子波源和子波惠更斯原理教师：根据教材有关内容，边讲解边画出下列板图，也可以利用PPT的动画功能逐步画出下一时刻子波的包络面，让学生理解惠更斯对波的传播的研究结果学生：阅读教材，思考理解：(1)理解并能叙述惠更斯原理：(1690年提出)介质中波前上的各点，都可以看做一个新的波源(子波源)，能够发出子波；其后，这些子波的包络面就是新的波面，这就是惠更斯原理。(2)理解子波源、子波这一对概念(3)如何根据某时刻的波面和波线，作出过一段时间后新的波面？二、研究机械波的反射规律教师：在刚才的实验中大家看到，波遇到挡板后传播方向发了改变，那么入射到挡板上的水波被反射后，他的传播方向有什么规律呢？结合课本图，引导学生利用惠更斯原理进行分析论证某时刻到达挡板A点的波，作为子波源发出的波在下一时刻波面半径是v，假如在内B点作为子波源发出的子波面刚好到达C点，则B、B点作为子波源发出的子波面应是从E2、E1点所作半径分别为和的球面，从而作出这些球面的包络面。学生：阅读教材，理解反射现象；并证明波的反射定律。如果学生证明有困难，老师可在学生思考后给出证明过程：ABC=ADC=90（波线垂直于波面）又i=BAC，i=DCA （同角的余角相等）BC=AD=vsini=sinBAC=，sini=sinDCA=故i= i，即反射角等于入射角。三、研究机械波的折射规律教师：在实物投影仪上再进行演示：(1)在水波槽的一部分底面上放一块玻璃板，把槽分成深水区和浅水区两部分。(2)让水波由深水区射到两个区域的界面上，观察发生的现象。(3)明确观察到的现象：看到波由深水区进入浅水区能继续传播，但是改变了传播方向。引导学生阅读教材有关内容，看看书上的实验结果与我们观察到的现象是否一致；阅读课本上用惠更斯原理对波的折射定律所作出的证明过程。学生：阅读课文，解答下列思考并理解：(1)什么是波的折射？(2)什么叫入射角和折射角？(3)在波的折射中遵循什么规律？阅读课本上用惠更斯原理对波的折射定律所作出的证明过程。教师：总结折射现象所遵从的规律：(1)波从一种介质射入另一种介质时，传播的方向会发生改变，这种现象叫做波的折射。(2)入射波的波线与界面法线的夹角i叫做入射角。折射波的波线界与界面法线之间的夹角r叫做折射角。(3)在波的折射中遵循下列规律：折射波与入射波的频率相同；折射波和入射波的波速和波长不同在波的折射中，入射角1和折射角2之间有下述关系这就是波的折射定律。其中v1和v2是在介质和介质中的波速。由于波速是由介质决定的，故是一个只与两种介质有关而与入射角无关的常数，叫做第2种介质相对第1种介质的折射率。用n21表示，则n21如果v2v1，波在进入第2种介质后传播方向将远离法线的方向偏折。这与实验中波的折射现象一致：在水波的折射演示实验中，水波到达浅水区后，传播速度减小，传播方向向法线靠拢。我们观察到的正是这样。案例分析【例1】有一辆汽车以15 m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远?( v声=340 m/s)解析：本题中汽车在运动，声音在传播，使得情景变得较复杂，画出汽车与声音运动过程示意图如图所示，设汽车由A到C位移为x1，C到山崖距离为x2，设汽车鸣笛到司机听到回声时间为t，有t=2 s则：=t解得x2=m=325m【例2】如图所示，是声波从介质进入介质的折射情况，由图判断下面说法中正确的是 ( ) A入射角大于折射角，声波在介质中的波速大于它在介质中的波速B入射角大于折射角，可能是空气，可能是水C入射角小于折射角，可能是钢铁，可能是空气D介质中波速v1与介质中波速v2满足：=解析：选A图中MN为介质界面，虚线为法线，1为入射角，2为折射角，从图可直接看出入射角大于折射角(12)，则选项C错误；根据折射规律有=1，所以v1 v2，选项D错误，选项A正确；声波在液体、固体中的速度大于在气体中的速度，选项B错误课堂总结本节的知识点（概念和规律）较多，可概括如下：一个原理：惠更斯原理两种现象：波的反射和波的折射两个定律：波的反射定律、波的折射定律多个概念：波面、波前、波线、入射角、反射角、折射角【教学小结】学生在初中已经学习过光的反射和折射现象以及声音的反射现象。因此对于本节课的学习学生有一定基础，本节课学生的学习难点在于接受一些新概念和惠更斯原理，并利用机械波的基本知识和惠更斯原理推导波的反射定律和折射定律，激发学生学习物理的兴趣。而最后的落脚点却在应用两个定律分析问题解决问题上。观察水面波现象，激发学生思考学生看书回答对应问题，教师引导。师生互动，讨论分析解决共性问题教师组织学生，完成练习，并展示练习结果课题 第5节 波的干涉和衍射课时考点、知识点（1）知道什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件；（2）知道波的叠加原理，知道什么是波的干涉现象、干涉图样和波的干涉条件；（3）知道波的衍射现象、干涉现象都是波所特有的现象。学习目标（1）知道什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件；（2）知道波的叠加原理，知道什么是波的干涉现象、干涉图样和波的干涉条件；（3）知道波的衍射现象、干涉现象都是波所特有的现象。重、难点波发生明显衍射现象的条件：波的叠加原理；波的干涉现象和干涉图样中加强点和减弱点的分析；波的干涉条件。波的干涉条件的理解学习环节和内容学生活动建议教师活动建议调整记录（一） 引入新课教师：生活中有这样一种现象，一学生在门外喊报告。提问：谁的声音？看到人了吗？为什么能听到声音却看不到人？学生：思考，回答。教师：引导说明声波可以绕过障碍物继续传播，而光波为什么不能？通过下面的学习后我们再来解释。今天我们学习12.4波的衍射和干涉。（二）进行新课一波的衍射教师：刚才我们提到声波绕过障碍物继续传播，生活中微风激起的水波遇到小石芦苇等细小障碍物，会绕过它们继续传播，我们把这种现象叫波的衍射。下面我们观察一个实验。演示实验:在发波水槽里放两块挡板中间留一个缝观察水波通过狭缝后的情况，改变缝宽再观察。模拟实验：由于实验现象不明显让我们看模拟实验来分析教师提问引导学生的观察点：观察下面几个实验，有没有衍射现象发生？学生对比观察思考回答。实验现象分析：水波经过大孔后，可近似地看作是“直进”的，但边沿是模糊的，不像刀切的那么齐有衍射现象正如太阳光从窗户射进来，粗略地看明暗界线是分明的，窗框的影子很整齐；但是仔细去观察影子的边缘时，就会看到模糊的，明暗界线不是像刀切一般地齐它们的区别是小孔发生了明显衍射。那么发生明显衍射的条件是什么？与什么因素有关？图片对比分析：哪个图发生了明显的衍射？实验结论：只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。板书：衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射。但要发生明显衍射现象的条件：缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小解释生活现象：回到课前问题“闻其声不见其人” ，人耳所听声音波长范围：17m-17mm 人眼所能看到的可见光波长的范围：400nm-700nm二波的叠加过渡:以上我们讲的一列波的传播问题，那么如果同时有两列波传播，这些波之间会怎样相互作用、最终将会发生什么现象呢？配套课件展示：Flash课件“波的叠加” （要求学生注意观察相遇前，相遇时和相遇后波的传播情况。）学生观察：a、波相遇时的现象；b、波相遇后的现象。波的叠加：几列波在同一界质相遇，相遇时，重叠部分的界质点参与几列波引起的振动的矢量叠加，相遇过后，各列波保持原有特征不变而继续传播。学生列举：几列波相遇后特征不变的事例答：嘈杂的教室中我们仍然能够辨别某同学的声音。过渡：如果相向传播的两列波频率相同，则叠加的结果就会出现一种奇特的现象，这就是波的干涉现象。三波的干涉演示实验: 发波水槽中一个震动杆带动的两个震源，打出两列振动方向相同、频率相同的水波，观察现象。模拟实验：实验前说明：两个小球的振动快慢是相同的，即振动频率或周期是相等的，它们在水面上振动时，会产生振动方向相同、频率相同的两列波。实验现象：学生可能找不到观察点，教师指引通过提问明确实验现象，并指导学生观察时要整体和局部相结合、静态和动态相结合，要区分暂时现象和稳定的规律，要透过现象看本质。要了解现象发生的条件。在振动着的水面上，出现了一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的振幅较小区域和激烈振动振幅较大的区域，这两种区域在水面上的位置是固定的，而且相互隔开。现象分析：课本图12.4-5所示的是产生上述现象的示意图。S1和S2表示两列波的波源，它们所产生的波分别用两组同心圆表示，实线圆弧表示波峰中央，虚线圆弧表示波谷中央。某一时刻0时刻，如果介质中某点正处在这两列波的波峰中央相遇处课本图所示中的a点，则该点(a点)的位移是正向最大值，等于两列波的振幅之和。经过半个周期1s末，两列波各前进了半个波长的距离，a点就处在这两列波的波谷中央相遇处，该点（a点）的位移就是负向最大值。再经过半个周期2s末时刻，a点又处在两列波的波峰中央相遇处。这样，a点的振幅就等于两列波的振幅之和，振幅最大所以a点的振动总是最强的。A点在0-2s时间过程仍在不停的振动着其位移的大小和方向都随时间做周期性的变化，并不是始终处于波峰或波谷，它仍然在平衡位置附近振动，只是由于频率相同振幅最大，等于两列波的振幅之和.所以说振动加强点始终加强。加强是指振幅最大。这些振动最强的点都分布在课本图中画出的粗实线上。某一时刻，介质中另一点如果正处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处课本图中的b点，该点位移等于两列波的振幅之差。经过半个周期，该点就处在一列波的波谷中央和另一列波的波峰中央相遇处，再经过半个周期，该点又处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处。这样，该点振动的振幅就等于两列波的振幅之差，所以该点的振动总是最弱的。如果两列波的振幅相等，这一点的振幅就等于零。这就是为什么在某些区域水面呈现平静的原因。这些振动最弱的点都分布在课本图中画出的粗虚线上。可以看出，振动最强的区域和振动最弱的区域是相互间隔开的实验结论: 频率相同的两列波叠加后，某些区域的震动加强，某些区域震动减弱，这些区域是互相间隔的，分布稳定，这种现象叫波的干涉现象。形成的图样叫做干涉图样。其中，产生干涉的一个必要条件是，两列波的频率必须相同并且有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波源没有固定的相位差（相差），相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的，没有振动总是加强或减弱的区域，因而不能产生稳定的干涉现象，不能形成干涉图样。只有两个频率相同、振动方向相同的波源发出的波，叠加时才会获得稳定的干涉图样，这样的波源叫做相干波源，它们发出的波叫做相干波。不仅水波，一切波都能发生干涉，干涉现象是一切波都具有的重要特征之一。波的干涉产生条件：让同学用手动振动头去替代双头振源中的一个，重复前面的实验，讨论产生波的干涉现象需要什么条件。小结波的干涉现象 【板书】1、频率相同的波，叠加时形成某些区域的振动始终加强，另一些区域的振动始终减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔，这种现象叫做波的干涉。形成的图样叫做干涉图样。2、干涉现象是一切波都具有的现象。3、产生干涉的必要条件：两列波的频率必须相同。干涉应用：无线电波的干涉，使电视信号有的地方较好，有的地方差。二战时盟军飞机利用波的干涉，飞行在雷达波干涉相消的高度，使德军不能及时发现。实验：音叉干涉现象（三）练习巩固（四）课堂总结、布置作业：课本35页3、4题。（五）板书设计： 12.4 波的衍射和干涉 一、波的衍射 1.衍射：绕过 2.明显衍射条件：障碍物或孔的尺寸比波长更小或相差不多 二、波的叠加 独立传播 位移矢量和 三、波的干涉： 1.定义： 2.条件：频率相同 相位差保持不变情景引入，感受波的干涉和衍射学生看书回答对应问题，教师引导。师生互动，讨论分析解决共性问题教师组织学生，完成练习，并展示练习结果教师引导学生分析，解决问题课题 第6节 多普勒效应课时考点、知识点(1）知道多普勒效应产生的原因；（2）掌握波源与观察者发生相对运动时，观察者接收到的频率变化情况； （3）知道多普勒效应的应用。学习目标（1）通过现象认识多普勒效应；（2）通过实验与多媒体辅助探究频率变化情况；（3）通过讲解分析观察频率变化的原因；（4）通过介绍知道多普勒效应的应用。重、难点1.波源的频率与观察者接收到的频率的区别2.多普勒效应的定义及产生条件学习环节和内容学生活动建议教师活动建议调整记录一、导入新课：提醒学生回忆当自己在汽车站、火车站、马路边时，听到喇叭声、汽笛声有何变化，规律如何？并播放录音（像）。1842年初夏的一天，奥地利物理学家多普勒带着心爱的女儿在铁道旁散步时发现了这一现象，偶然中孕育着必然，多普勒对这种现象进行了认真的研究，总结出了其中的规律。这节课我们将共同来研究相关问题。二、新课展示：一）、多普勒效应：1、现象：奥地利物理学家多普勒发现：当波源和观察者之间有相对运动时，观察者会感到频率发生变化。听行驶中火车的汽笛声当火车向你驶来时，感觉音调变高；当火车离你远去时，感觉音调变低（音调由频率决定，频率高音调高；频率低音调低）。2、多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应（注意区分两个频率）。3、多普勒效应的成因：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。解释：（1）音调是由频率决定的我们在初中学过声音是由振动产生的，振动的频率决定声波的音调演示课件：声波的波面图说明：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的如右图所示，当波源S和观察者A都不动，若波源频率为20Hz，则波源每秒发出20个完全波，这20个完全波通过观察者的时间为1S，即观察者每秒接收20个完全波，因此观察者接收到的波的频率没有改变，听到的是“原声原调”（2）当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变演示课件：波源相对介质不动，观察者朝着波源运动的情况可以看到，在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大举例：如右图所示，波源不动，观察者向波源由A点经1秒钟运动到B点，虽然波源每秒仍发出20个完全波，但观察者每秒接收到21个完全波，即接收到的频率增大同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小演示课件：观察者相对介质不动，波源向着观察者运动的情况可以看到，波源向右运动时，波源右方的波面变得密集，左方的波面变得稀疏，也就是说，波源右方的波长变短，左方的波长变长，如右图所示，因此，当观察者在波源右方时，单位时间内接收到的完全波的个数增多，即接收的频率增大同理，当观察者在波源左方时，接收到的频率减小师生共同总结：声源和观察者相对位置变化与音调变化的关系：声 源静 止静 止靠 近远 离观 察 者静 止靠 近远 离静 止声音音调不 变变 高变 低变 高变 低结 论由于声源和观察者之间有相对运动，使观察者感到声音频率发生变化小结：当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小讨论：想像你以声波的速度随同某一个波峰一起远离波源，会是什么情景？（在运动过程中，你接收不到任何一个完全波，接收的频率变为零，即听不到波源的声响）4、多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅机械波，电磁波和光波也会发生多普勒效应。二）、多普勒效应的应用：声波的多普勒效应不只是用来“欣赏”火车笛声的变化，它也有许多重要应用：1、判车船运动的方向和快慢（声波，电磁波）：交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度.2、判断遥远天体相对于地球的速度（光波）：红移现象：在20世纪初，科学家们发现许多星系的谱线有“红衣现象”，所谓“红衣现象”，就是整个光谱结构向光谱红色的一端偏移，这种现象可以用多普勒效应加以解释：由于星系远离我们运动，接收到的星光的频率变小，谱线就向频率变小（即波长变大）的红端移动。科学家从红移的大小还可以算出这种远离运动的速度。这种现象，是证明宇宙在膨胀的一个有力证据。3、多普勒超声诊断（超声波）当一束超声波射到人体内两种组织的界面时将发生反射，当界面处于运动状态时(如心脏的跳动)，反射回来的超声波频率将因多普勒效应而发生变化，由此可以探测人体内脏器官因病变而引起的运动异常状况。现代医学上使用的胎心检测器、血流测定仪等有许多都是根据这种原理制成。三）、出示小结、思考题：1、叙述波源的频率和观察者接收到的频率的区别2、什么是多普勒效应？3、举例说明多普勒效应的一些应用。四）、针对性练习：1、多普勒效应是指：当波源和观察者之间有相对运动时，使_频率发生变化的现象。2、在铁路旁听到行驶中的火车的汽笛声，当火车迎面驶来时，音调变高，火车远离时，音调变低，是因为( )A、火车驶来时，声源频率变大 ；B、火车远离时，声源的频率变小C、火车驶来及远离时，声源的频率都不变；D、以上说法均不正确3、关于多普勒效应，下列说法正确的是( )A、多普勒效应是由波的干涉引起的 B、多普勒效应说明波源的频率发生改变C、只有声波才可以产生多普勒效应D、多普勒效应是由于波源与观察者之间有相对运动而产生的三、家庭作业与活动：1、完成课后家庭作业与活动相关习题；2、完成配套资料相关习题；四、板书设计：多普勒效应概念：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象。规律：声 源静 止静 止靠 近远 离观 察 者静 止靠 近远 离静 止声音音调不 变变 高变 低变 高变 低结 论由于声源和观察者之间有相对运动，使观察者感到声音频率发生变化应用：判车船运动的方向和快慢（电磁波、声波）判断遥远天体相对于地球的速度（光波）多普勒超声诊断（超声波） 故事情景引入，激发学生思考学生看书回答对应问题，教师引导。积极思考，理解多普勒效应应用师生互动，讨论分析解决共性问题教师组织学生，完成练习，并展示练习结果